page physics 1 year : common to all branches

26
    Physics 1 st Year : Common to all Branches Page 1  Note : Max. marks : 60  Attempt any five questions. All questions carry equal marks. Q.1 (a) Deduce Maxwell’s equation for free space and prove that the electromagnetic waves are transverse. Ans. Maxwell’s equation for free space :   Maxwell’s equations for dynamic fields : Differential (or Point) Form Integral Form Remarks v D  v s v D dS dv  Gauss’s law for electric field 0 B  0 s B dS  Gauss’s law for magnetic field B E t  L s B E dl dS t  Faraday’s law of electromagnetic induction c D H J t  c L s D H dl J dS t  Ampere’s law  Maxwell’s Equations for Static Fields : Differential (or Point) Form Integral Form Remarks v D  v s v D dS dv  Gauss’s law 0 B  0 s B dS  Nonexistence of magnetic monopole 0 E  0 L E dl  Conservative nature of electrostatic field and Kirchoff’s law H J  L s H dl J dS  Ampere’s law    Proof for electromagnetic waves :  Transverse nature of electromagnetic waves can be proved with the help of Maxwell’s equation div 0 E  and div 0 H  for free space.   Let  ( ) 0 ikr t E Ee     ( ) 0 ikr t E i j k Ee x y z  Point form (or differential form) Integral form Point form (or differential form) Integral form Static field Time varying field (or dynamic field) Maxwell’s Equation January : 2016 (CBCS) 

Upload: others

Post on 11-Jun-2022

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

1

  Note :    Max. marks : 60   Attempt any five questions. All questions carry equal marks. 

Q.1  (a)  Deduce Maxwell’s  equation  for  free  space  and  prove  that  the  electromagnetic waves  are transverse. 

Ans.  Maxwell’s equation for free space : 

   Maxwell’s equations for dynamic fields : 

Differential (or Point) Form Integral Form Remarks 

vD

  vs vD dS dv

  Gauss’s law for electric 

field 

0B

  0sB dS

  Gauss’s law for 

magnetic field 

BE

t

 

L s

BE dl d S

t

 Faraday’s law of electromagnetic induction 

c

DH J

t

  c

L s

DH dl J dS

t

 Ampere’s law 

  Maxwell’s Equations for Static Fields : Differential (or Point) Form Integral Form Remarks 

vD

  vs vD dS dv

  Gauss’s law 

0B

  0sB dS

  Nonexistence of magnetic 

monopole 

0E

  0LE dl

 

Conservative nature of electrostatic field and Kirchoff’s law 

H J

 L sH dl J dS

  Ampere’s law 

   

  Proof for electromagnetic waves :   Transverse nature of  electromagnetic waves  can be proved with  the help of Maxwell’s  equation 

div 0E

 and  div 0H

 for free space.  

  Let     ( )

0

i k r tE E e

 

      ( )

0

i k r tE i j k E ex y z

 

Point form(or differential form)

Integral form

Point form(or differential form)

Integral form

Static fieldTime varying field(or dynamic field)

Maxwell’s Equation

January : 2016 (CBCS) 

Page 2: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

2

      ( )

0 0 0( ) x y zi k x k y k z t

x y zi j k E i E j E k ex y z

 

      ( ) ( ) ( )

0 0 0

x y z x y z x y zi k x k y k z t i k x k y k z t i k x k y k z t

x y zE e E e E e

x y z

 

      ( )

0 0 0x y zi k x k y k z t

x x y y z zE ik E ik E ik e

 

      ( )

0 0 0

i k r t

x x y y z zi E k E k E k e

 

                 ( )

0

i k r ti k E e

 

               i k E

 

    For free space  0E

     

        0i k E

 or   0k E

   

  It means the wave vector  k is perpendicular to  E

. Similarly, from  0H

 it can be shown that

0k H

    Hence, the wave vector  k is perpendicular to H

. Therefore, the relations  0k E

 and 0k H

 

indicate that the electromagnetic field vectors  E and  H

(or  B

, as 

0 ) B H  both are perpendicular 

to the direction of propagation vector  k. It means that the electromagnetic waves are transverse in 

nature. Q.2  (b)    State and prove Stoke’s theorem. Ans.  Stoke’s theorem :    The Stoke’s theorem states that, “The line integral of a vector  A

 around a closed path  L is equal to 

the integral of curl of  A over the open surface  S enclosed by the closed path L”.  

 Fig.1 

  This theorem is applicable only when  A and  A

 are continuous on the surface .S  

  By applying this theorem, line integral is converted into surface integral.     Mathematically Stoke’s theorem is given by,      

boundary

( )S

A dS A dl

 

  Proof :    Consider an open surface S which is broken into ‘n’ incremental surface area,  1 2, ................. nS S S  

or area  S . 

 Fig.2 

Closed path LL

dS�

dl�

Surface S

3dS

2dS

1dS

na

Page 3: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

3

  Applying the definition of curl of a vector field the incremental surface area  1S . 

      1

1 01

limS

nS

A dlA a

S

 where  na  unit vector normal to  1S .  

  Now,  1

1 01

limS

S

A dlA

S

 

     11( ) SA S A dl

  

  Similarly,  22( ) SA S A dl

 

                                        ( )

nn SA S A dl

 

  Adding all these equation, we get      

1 2 3( ) ( ) ( ) .........( ) nA S A S A S A S

   

      1 2 3.........

nS S S SA dl A dl A dl A dl

      …(i) 

  As we find the closed line integral for each incremental area, some cancellation will occur because, boundary is getting traced in two opposite directions. Hence summation of all closed line integral for each and every  S ends up in a single closed one integral to be obtained for the outer boundary of the total surface  S . Hence the equation (i) becomes, 

     boundary

( )S

A dS A dl

                Hence Proved. 

Q.2  (a)    What  do  you  mean  by  laser  and  its  working  principle,  important  requirements  and applications? 

Ans.  Laser :    The word LASER is an acronym for “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”. It 

is a device to produce an intense monochromatic, collimated and highly coherent beam of light and depends on the phenomenon of stimulated emission. 

   

  Working principle :   1.  Absorption : Suppose an atom is in the lower energy level  1.E  If a photon of energy  2 1( )hv E E  

is incident on the atom, it imparts its energy to the atom and disappears. Then we say that the atom absorbed the incident photon. As a result of absorption of energy, the atom jumps to the excited sate  2E  (Fig.1). Such a transition is called an absorption transition. In each absorption transition event, an atom in the medium is excited and one photon is subtracted from the incident light beam. We may express the absorption transition as,  

 Fig.1 : Absorption process  

     A hv A    Where, A is an atom in the lower state and A* is the corresponding excited atom. 

  2.  Spontaneous emission : When an atom at lower energy level is excited to a higher energy level, it cannot stay in the excited state for a relatively longer time. In a time of about  810 s,  the atom 

2E

1E

2 1hv E E� �

Ener

gy

Incidentphoton

Before After

2E

1E

Page 4: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

4

reverts to the lower energy state by releasing a photon of energy  2 1( ).hv hv E E  The emission of photon occurs on its own and without any external impetus given to the excited atom (Fig.2). Emission of a photon by an atom without any external impetus is called spontaneous emission. We may write the transition as,  

        A A hv  

 Fig.2 : Spontaneous emission process 

  3.  Stimulated  emission  :  If  an  atom  in  the  excited  state  interacts  with  a  photon  of  energy 2 1.hv E E  The photon induces the excited atom to make a downward transition, well before 

the atom can make a spontaneous transition. The electric field of the light wave interact with the electrons of the excited atom and triggers stimulated emission. As a result, the excited atom emits the excess energy in the form of photon,  2 1hv E E  and returns to the lower energy state. The passing photon is not affected while the exited atom emits a photon (Fig.3). The phenomenon of forced photon emission by an excited atom due  to  the action of an external agency  is called stimulated emission. It is also known as induced emission. The transition may be written as  

        2A hv A hv  

 Fig.3  : Stimulated emission process. 

  Requirement for amplification of light :   Population inversion  : The number of atoms per unit volume occupying a certain energy state  is 

called population.    Under ordinary condition of thermal equilibrium the number of atoms  in higher energy  level 

2( )N  is considerably smaller than the number of atoms in lower (ground) energy level  1( )N . So there is  very  little  stimulated  emission  compared  to  absorption. Hence  under  ordinary  condition  an incident photon is more likely to be absorbed rather than emission. Hence laser action will not take place. 

2E 2E

Ener

gy

Emitted

photon

Before After1E 1E

hv =E

– E2

1

2E

1E

2 1hv E E� �

Ener

gy

Incidentphoton

Before After

2E

1E

hv

hv

Page 5: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

5

 Fig.4 : Population inversion 

  If however the large number of atoms made available in the higher energy level (i.e.  2 1)N N  then stimulated emission takes place easily. 

    If the population of higher energy level is more than the population of the lower energy level 2 1(i.e. )N N , then it is said to be inverted population or population inversion. 

    Population inversion is a necessary condition for stimulated emission. For a material in thermal equilibrium,  the  distribution  of  electrons  in  various  energy  state  is  given  by  the  Boltzmann distribution law : 

        2 1

2 1 expE E

N NkT

 

  Where  1N  and  2N  are the atom densities in state 1 and 2 with energies  1E  and  2E respectively. T and k are the absolute temperature and Boltzmann constant, respectively. 

    According to Boltzmann law, higher energy states are the least populated and the population of atoms in the higher energy states decreases exponentially with energy. 

    The process of achieving the larger number of atoms in the higher energy level than the lower energy level is known as “Population Inversion”. 

   

  Applications :   Due to the unidirectional and monochromatic properties, a laser beam find its vast uses, some of the 

application of laser are :   1.  In measurement of very long distance  : The light beam obtained from laser is unidirectional, 

therefore it is used in measuring very long distances.   2.  In making fine holes and cutting the thick metal sheets : The beam obtained from laser is very 

intense and unidirectional,  therefore,  if  the  laser beam  is  focused by a convex  lens,  its entire energy will concentrate in a very small area 10 2( 10 m ) . 

     As a result at that point intensity of beam becomes so strong that the material placed at that point melts and get evaporated and thus a hole is obtained at that point.  

      3.  In telecommunication : The laser beam is not absorbed by water. Hence laser beam can be used to  transmit  a  number  of  television  programs  simultaneously  though water.  Since  lasers  are monochromatic, more messages can be modulated to transmit. Lasers are used  in fiber optics communication systems. 

  4.  In photography : A laser beam can be used to obtain 3‐D images without using the lenses, i.e. storage of three dimensional image on two dimensional photo graphic plate (holography). 

  5.  In medical science : Lasers are used in eye surgeries as they can be focused to very fine spot. It is used to weld detached retinas.  

    Bloodless cancer surgery can be performed with lasers as the beam can be focused on a small area and only the harmful tissues can be destroyed without damaging the surrounding region. Lasers are used in dental surgeries and plastic surgeries for treating skin diseases. 

Q.2  (b)    Explain with the help of a neat diagram the principle and working of a He‐Ne laser. Ans.  He‐Ne laser : Helium Neon laser was the first successful gas laser. It is a four level laser. 

3E

2E

1E

Energy ofatom

Excited state

Metastable state

Ground state

Page 6: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

6

He‐Ne laser is a gas laser in which a mixture of He‐Ne gases is used. The reason is that some of excited energy state of He are very close to excited state of Ne gas. He‐Ne lasers have many industrial and scientific uses, and are often used  in  laboratory demonstrations of optics. Its usual operation 

wavelength is o

6328A , in the red portion of the visible spectrum.   

 Fig.1 : He‐Ne laser 

  Its main parts are :    1.  Working substances : The active medium of He‐Ne gas laser is a mixture of He and Ne gases in 

the ratio 10 : 1 at low pressure 1 Torr.    2.  Resonant cavity : It is a discharge tube of length nearly 50 cm and diameter 1 cm with its ends 

perfectly plane and parallel. The left end of tube is a perfect reflector while right end is a partial reflector. 

  3.  Exciting source : Population inversion is achieved by electric discharge.   Construction  :  It  consists  of  a  long discharge  tube  filled with He‐Ne  gases. One  end  of  tube  is 

provided with a perfect reflector and other end with a partial reflector. The pumping of gas mixture is done by electric discharge. 

    An electric discharge is produced in the gas by electrodes outside the tube connected to a source of high frequency alternating current. 

  Principle and working :    The energy level diagram of He‐Ne laser is shown in Fig.2.   1.  When the power is switched ON, the  e  from the discharge collide and pump the He and Ne 

atoms to metastable states 20.61 eV and 20.66 eV respectively above their ground state.      Transition :  1 2F F  Absorption. 

  2.  Some  of  the  excited He  atom  transfer  their  energy  to Ne  atom  in  collision with  0.05  eV  of additional energy. 

     Since the purpose of the He atom is to excite Ne atom and achieving a population inversion in the Ne‐atom. 

    Energy transfer from, He Ne .   3.  When an excited Ne atom passes from metastable state at 20.66 eV to an excited state of 18.70 eV, 

it emits a photon of wavelength o

6328A . This photon travels through the gas mixture and if it is moving  parallel  to  the  axis  of  tube,  is  reflected  back  and  forth  by  the mirror‐ends  until  it 

stimulates an excited Ne atom and causes it to emit a o

6328A  photon in phase with stimulating photon. 

     The stimulated transition from 20.66 eV to 18.70 eV level is the laser transition.    

DischargeElectrodes

LaserBeam

He + Ne

Perfectly Reflectivemirror

Partially Reflectivemirror

Page 7: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

7

 Fig.2 : Energy level diagram of He‐Ne laser  

    The process is continued and a beam of coherent radiation becomes sufficiently intense.     Transition :  4 3E E  Stimulated emission.         20.66eV 18.70eV (Laser transition) 

  4.  The Ne atom passes from the 18.70 eV level, spontaneously to a lower metastable state emitting incoherent light. 

      Transition :  3 2E E  Spontaneous emission.   5.  Finally the Ne atom comes down to the ground state through collision with the tube walls. This 

transition, from lower metastable state  2E  to the ground state  1E  is radiation‐less transition.      Transition : 2 1E E  radiation‐less transition. 

     Since the  2E  of neon is a metastable state then there is possibility of atoms in the level  2E  getting re‐excited again to higher level  3E . If this happens then it may disturb the population inversion at the level  4E . 

     This can be protected by reducing the diameter of the tube (i.e. narrow tube) so that atoms in the energy state  2E  follow the transition directly to the lower energy level  1E  mainly through the collision with the walls of tube instead of exciting atoms from the level  2E  to the level  3E . 

Q.3  (a)    Describe schematically the basic element of optical fibres communication system. Ans.  Basic element of optical fibre communication system :   Basic block diagram of optical fibre communication system consists of following important blocks.    (i)  Transmitter   (ii)  Information channel   (iii) Receiver.    Figure shows block diagram of OFC system. 

 Fig. : Block diagram of OFC systems 

  1.  Message origin : 

F2

F1

Absorption

Metastablestate

Heliumatom Collisions

20.61 eV

Groundstate

E4

E3

E2

Ground

state

E1

20.66 eV

18.70 eV

Neon atomMetastable state

Excited state

Metastable state

Radiation lesstransition

Spontoneousemission

o

6328 A

Channelcoupler

Carriersource

Modulator

Transmitter

Messageorigin

text/video

Opticaldetector

Amplifier

SignalProcessing

Receiver

Messageoutput

Repeater

Optical fiber

Information channelInformation channel

Page 8: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

8

    Generally message origin  is  from a  transducer  that converts a non‐electrical message  into an electrical  signal.  Common  examples  include microphones  for  converting  sound waves  into current and video  (TV) cameras  for converting  image  into current. For data  transfer between computers, the message is already in electrical form. 

  2.  Modulator :      The modulator has two main functions :      (i)  It converts the electrical message into the proper format.      (ii)  It impresses this signal onto the wave generated by the carrier source.      Two distinct categories of modulation are used i.e. analog modulation and digital modulation.    3.  Carrier source :       Carrier source generates the wave on which the information is transmitted. This wave is called 

the carrier. For fibre optic system, a laser diode (LD) or a light emitting diode (LED) is used. They can be  called as optic oscillators,  they provide  stable,  single  frequency waves with  sufficient power for long distance propagation.  

  4.  Channel coupler :       Coupler  feeds  the power  into  the  information channel. For an atmospheric optic  system,  the 

channel coupler is a lens used for collimating the light emitted by the source and directing this light towards the receiver. The coupler must efficiently transfer the modulated light beam from the source  to  the optic  fibre. The channel coupler design  is an  important part of  fibre system because of possibility of high losses.  

  5.  Information channel :      The  information  channel  is  the  path  between  the  transmitter  and  receiver.  In  fibre  optic 

communications, a glass or plastic fibre  is the channel. Repeaters can be used only  for digital systems. They convert weak and distorted optical signals to electrical ones and then regenerate the original digital pulse trains for further transmission.  

  6.  Optical detector :       The information being transmitted is detected by detector. In the fibre system the optic wave is 

converted into an electric current by a photodetector. The current developed by the detector is proportional  to  the  power  in  the  incident  optic wave. Detector  output  current  contains  the transmitted information. This detector output  is then filtered to remove the constant bias and then amplified.  

  7.  Signal processing :       Signal processing includes filtering, amplification. Proper filtering maximizes the ratio of signal 

to unwanted power. For a digital system decision circuit is an additional block. The bit error rate (BER) should be very small for quality communications.  

  8.  Message output :      The electrical form of the message emerging from the signal processor are transformed  into a 

sound wave or visual  image. Sometimes  these signals are directly usable when computers or other machines are connected through a fibre system. 

Q.3  (b)    What are optical fibres? Give their classification. Ans.  Optical  fibre  : An optical  fibre  is a  thin  transparent  flexible  strand  (wire)  that consists of a  core 

surrounded by cladding. It confines electromagnetic energy in the form of light within its surfaces and guides the light in a direction parallel to its axis. 

Structure : Optical fibre consists of following three sections :   1.  The inner most layer or the core where the light travels. It made of glass or plastic.   2.  The  fibre  core  is  surrounded by a  transparent  sheath  called  cladding.  It  is a glass or plastic 

coating having optical properties much different from those of the core. It has a lower index of refraction to keep the light in the core. 

Page 9: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

9

  3.  These layers are protected by an outer section called sheath. It is made of polymer or any other material that provides protection against moisture, crushing and other environmental dangers. It has no optical properties affecting the propagation of light within the fibre. 

 Fig.1 : Internal structure of optical fibre 

   

  Classification :   Optical fibres are classified into two categories on the basis of refractive index profile.  1.   Step index fibres      2.   Graded index (GRIN) fibres 

 Fig.2  : Classification of optical fibres into (a) step index and  

(b) graded index based on refractive index profile of the core and cladding. Step  index  fibre  :  In step  index  fibre  the refractive  index of  the core  is constant along  the  radial direction and abruptly falls to a lower value at the cladding and core boundary (see Fig.2(a)).  

  Graded index fibre : In case of GRIN fibres, the refractive index of the core is not constant but varies smoothly over  the diameter of  the core  (see Fig.2(b)).  It has a maximum value at  the center and decreases gradually towards the outer edge of the core. At the core‐cladding interface the refractive index  of  the  core matches with  the  refractive  index  of  the  cladding. The  refractive  index of  the cladding is constant. 

   

  On the basis of the modes of light propagations, optical fibres are classified into two categories as   (i)  The single mode fibre (SMF)  (ii)  The multimode fibre (MMF)    Single mode fibre (SMF) : A single mode fibre has a smaller core diameter and can support only one 

mode of propagation.   Multimode fibre (MMF) : A multimode fibre has a larger core diameter and can support a number 

of modes. Multimode fibres are further distinguished on the basis of index profile.   Thus, there are three classification of optical fibres : 

d2 d1

n2

n1

n1

n2

Primary coating (sheath)

Cladding

Core

Core

Cladding

Primary coating (sheath)

d1 = Diameter of core 50

= Diameter of cladding 125d2

= Refractive index of coren1

= Refractive index of cladding ( > )n n n2 1 2

m�

m�

Step Index Fibre

Core

Graded Index Fibre

Cladding

Core

Cladding

n r( ) n r( )

n1

n2

2a

r

2a

n1

n2

(a) (b)

Page 10: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

10

  (i)  Single mode step index fibre (SMSIF)     (ii)  Multimode step index fibre (MMSIF)   (iii) Graded index (multimode) fibre (GRIN)    (i)  Single mode step index fibre (SMSIF) : A single mode step index fibre has a very thin core of 

uniform refractive index of a higher value which is surrounded by a cladding of lower refractive index. The refractive index change abruptly at the core‐cladding boundary because of which it is known as step index.  

   Fig.3 : Single‐mode step index fibre 

  (ii) Multimode step index fibre (MMSIF) : A multimode step index fibre is very much similar to the single mode step index fibre expect that its core is larger diameter. A typical fibre has a core diameter of 100 m , which is very larger compared to the wavelength of light being transmitted. Light follows zig‐zag path inside the fibre. Many such zig‐zag paths of propagation are permitted in a MMF. The NA (Numerical Aperture) of a MMF is larger as the core diameter of the fibre is larger. It is the order of 0.3. 

 Fig.4 : Multimode step index fibre 

  (iii) Graded index (multimode) fibre (GRIN) : A graded index fibre is a multimode fibre with a core consisting of concentric layer of different refractive indices. Therefore the refractive index of core varies with distance  from  the  fibre  axis.  It has  a high  value  at  the  centre  and  falls  off with increasing radial distance from the axis. A typical graded index fibre has a core diameter ranging from 50-85 m and a cladding diameter of 125 m . 

   

a

r

n r( )

n1

n2

CoreCore

Cladding

r

a

r

n r( )

n1 Core

Claddingn2

Refractiveindex

r

Page 11: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

11

 Fig.5 : Graded index fibre  

   

Q.4  (a)    Derive time dependent Schrodinger wave equation. Ans.  Time dependent Schrodinger wave equation :    Schrodinger’s time dependent wave equation can be obtained from Schrodinger’s time independent 

equation by eliminating energy E.    Consider a particle of mass m moving with velocity v . Let the position of particle at time t be given by ( , , )x y z . According  to  de‐Broglie’s  hypothesis,  the  particle  is  associated  with  a  wave  system  having wavelength   given by,  

        h h

p mv  

  Step I :     Let be the wave variable associated with matter waves. In analogy with the equation  

       2 2

2

2 2

d y d yv

dt dx  

The differential equation for the matter waves with wave velocity u can be written as,  

    2 2 2 2

2

2 2 2 2u

t x y z

 

        2

2 2

2u

t

                …(i) 

  Where, 2 2 2

2

2 2 2x y z

and is called Laplacian operator. 

  Step II :    The solution of this equation gives us  as a function of space and time.   Let     

0( , , , ) ( , , ) i tx y z t x y z e             …(ii)   Where,  0 ( , , )x y z Amplitude of the wave at ( , , )x y z .   Equation (ii) can be written as,        

0( , ) ( ) i tr t r e                 …(iii) 

Where,  r ix jy kz  and  is known as  the position vector of point  ( , , )x y z ;  , ,i j k  being  the unit 

vectors along the axes.    Step III :    Differentiating equation (iii) w.r.t. t, we have  

        0

i ti et

 

         it

                …(iv) 

  Step IV :  

a

r

n r( )

n1Core

Claddingn2

Refractive index

r

n2

n1

Page 12: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

12

  Now 2 f and  E hf  

  Where,  f Frequency of waves. 

        2/ 2

E E

h h

    or  E

          …(v) 

  Where,   2

h

 

  Putting this value of   in equation (iv), we have  

        E

it

                …(vi) 

  Multiplying both sides by i, we have  

        Eit

 

       E it

                …(vii) 

  Step V :     Schrodinger’s time independent wave equation is,  

        2

2

2( ) 0

mE V

             …(viii) 

  Putting for  E from equation (vii) in equation (viii), we have 

        2

2

20

mi V

t

 

  Multiplying both sides by 2

2m

, we have 

       2

2 02

i Vm t

 

      2

2

2V i

m t

 

  This equation is known as Schrodinger’s time dependent wave equation. 

Q.4  (b)    Define phase velocity and group velocity. Show that for non‐relativistic free particle the phase velocity is half of the group velocity. 

Ans.  Group velocity : When a number of plane waves of slightly different wavelength travel in the same direction they form wave groups or wave packet. The velocity with which the wave group advances in the medium is known as group velocity.   

  Phase velocity : The phase velocity of a wave is the rate at which the phase of the wave propagates in space. This is the speed at which the phase of any one frequency component of the wave travels.   

  For non‐relativistic free particle :   A particle whose velocity is less with respect to that of light is called non‐relativistic free particle.   According to de‐Broglie hypothesis, 

       g

h

mv  

  Total energy,   21

2gE mv  

  Also,    E hf  

       2

2

gmvEf

h h  

Page 13: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

13

     Phase velocity, 

       2

2

g

p

g

mv hv f

h mv  

       2

g

p

vv     

  Hence, for non‐relativistic free particle the phase velocity is half of the group velocity. Q.5  (a)    Explain the mathematical treatment of Newton’s rings. Describe an experiment to determine 

the refractive index of liquid with the help of Newton’s rings. Ans.  Mathematical treatment of Newton’s rings : 

  Formation of Newton’s rings : When a plano convex lens of large focal length is placed in contact with a plane glass plate, a thin air film is formed between the lower surface of the lens and upper surface of  the plate. The  thickness of  the  film  is very  small  ( 0t ) near  the point of contact and gradually increases from the centre outwards.  

    If monochromatic light is allowed to fall normally on this film, then alternate bright and dark concentric  rings with  their  centre  dark  are  formed.  The  interference  rings  so  formed were  first investigated  by Newton  and were  called Newton’s Ring.  These  rings  are  used  to measure  the wavelength of monochromatic light and refractive index of rare liquids.  

       Fig.(a) : Newton’s Ring Setup                    Fig.(b) : Newton’s Ring 

 Fig.(c) : Newton’s rings by reflected light  

  Experimental arrangement : The experimental setup is shown in Fig.(a). A plano‐ convex lens L of large radius of curvature is placed on a plane glass plate P such that both of them is having a point of contact. Light from a monochromatic source is allowed to fall on a glass plate G  inclined at an angle of  045  to the incident beam. The light reflected from glass plate falls normally on the air film enclosed between L and P.  

    Reflected light rays superimpose each other and interference takes place. Due to interference of these rays, alternate bright and dark concentric rings are seen with the help of microscope.  

    The fringes are circular because the air film is symmetrical about the point of contact of the lens with the plane glass plate. 

  Theory : 

045

L

P

Plano Convex Lens

Plane Glass Plate

SodiumLamp

Microscope

G

C A’A

P Q

Page 14: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

14

  As the rings are observed in reflected light, the effective path difference between the interfering rays is given by,  

      2 cos2

t r

                …(i) 

  Where,   Refractive index of film (air),       r  Inclination of the ray,            t  Thickness of air film.   For air film,  1      Because rays are normally incident.        0r  

  Now,  Path difference  22

t

              …(ii) 

  At  0,t  Path difference  / 2    This  is  the condition  for  the minimum  intensity. Hence  the centre of Newton’s ring  is dark. But 

sometimes it is observed that centre is bright, this is because a dust particle comes in between the two surfaces at the point of contact.  

  For maxima (bright ring), the path difference  n  

       22

t n

 

        2 2 12

t n

                …(iii) 

  Where,  1,2,3,...........n  

  For minima (dark ring), the path difference (2 1)2

n

 

        2 2 12 2

t n

 

        2t n                     …(iv)   Where,  0,1,2,3,...........n    As in air‐film,  t  remains constant along a circle with its centre at the point of contact, the fringes are 

in the form of concentric circles. Since each fringe is a locus of constant thickness of the air‐film, these are known as the “fringe of constant thickness”.        

   

  Determination of refractive index using Newton’s ring : The liquid whose refractive index is to be determined is placed between the plano‐convex lens and the glass plate of the Newton’s ring setup. In case liquid is rarer than glass, a phase change of   will occur at reflection from the lower surface of the liquid film, but if liquid is denser than glass, phase change will occur at reflection from the 

upper surface of the film. Hence, in both the cases, path difference is equal to 2

  Therefore effective path difference  2 cos2

t r

 

  Where,   Refractive index of liquid.  

  For normal incidence,  0r         cos 1r  

  Effective path difference  22

t

 

  The condition for  thn dark ring is given as,  (2 1)2

n

 

Page 15: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

15

        2 2 12 2

t n

 

        2 t n  

        2n

t

                   …(i) 

  From the geometrical property of circle, 

       2

2r

tR

                    …(ii) 

  Where,  =r  Radius of Newton’s ring,        =R  Radius of curvature.     From equation (i) and (ii), 

       2r n

R

    

2

n

n Rr

 

  Where,  nr  is the radius of thn  dark ring. 

  If  nD  is diameter of  thn  dark ring,  

  Then,    2 4n

n RD

                 …(iii) 

  If n pD  is the diameter of  thn p  dark ring,  

  Then,    2

4n p

n p RD

            …(iv) 

  Subtracting equation (iii) from equation (iv), we get  

        2 2

liquid

4n p n

p RD D

              …(v) 

  For air film,  1  

        2 2 4n p n airD D p R               …(vi) 

  Dividing equation (vi) by equation (v), we get refractive index of liquid, 

       

2 2

air

2 2

liquid

n p n

n p n

D D

D D

 

Q.5  (b)    What do you understand by the resolving power of grating? Ans.  Resolving power of grating  : The ability of a grating  to  form separate spectral  lines of  two close 

wavelength is called its resolving power. Or 

  The resolving power of a grating is its ability to form separate diffraction maxima of two wavelength that are very close to each other. 

Page 16: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

16

 Fig. : Resolving power of grating 

  If the wavelength of the two spectral lines are   and  d , where  d  is that minimum difference in wavelengths which is just resolved by the grating at wavelength   , then the limit of resolution or 

resolving power of a grating is expressed by the ratio d

  i.e. resolving power of grating d

          …(i) 

  Let a parallel beam of light of wavelength   and  d  be incident normally on a diffraction grating. 

  Let nth principal maxima of wavelength   be formed in the direction  . Then we have          ( )sine d n           …(ii) 

  Where,  =e a b  Grating element,  n = Order of spectra. 

  Let the first minima adjacent to the nth maxima be formed in the direction ( d ). Then from the grating equation of minima, 

        ( )sinN e d m           …(iii) 

  Where,  =N  Total number of rulings on grating,  

    =m An integer having values, 1, 2, 3,........,m  except  0, , 2 ,.........N N nN  because these value gives zero order, first order, second order, ……. principal maxima. 

  Clearly, the first minima adjacent to the nth  principal maxima will be obtained for             1m nN              …(iv) 

  Substituting the value of m in equation (iii),         ( )sin( ) ( 1)N e d d nN      

        1( )sin( )

nNe d d

N

        …(v) 

  According  to Rayleigh’s criterion,  the wavelengths   and  d  are  just resolved by  the grating when the  thn  maximum of  d   is also obtained in the direction  ( ).d  Then,     ( )sin( ) ( )e d d n d            …(vi) 

  Comparing equation (v) and equation (vi), we get 

        1( )

nNn d

N

 

  or     nN Nn Nnd    or     Nnd  

d�

and d� � � �

Grating

d�

Page 17: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

17

  or     nNd

             …(vii) 

  As d

= resolving power of the diffraction grating. 

  From equation (vii),   1.  The  resolving power of grating  is equal  to  the product of  the  total number of  rulings on  the 

grating and the order of the spectrum.   2.  The resolving power of grating increases with the order of spectrum.   3.  The resolving power increases with the increase in the total number of lines on the grating.   4.  The resolving power is independent of the grating element.  

Q.6  (a)    What is mean by fill factor of a solar cell and what is its significance? Ans.  Fill factor of solar cell :   (i)  The open circuit voltage 

OCV  : 

    It is the output from the solar cell when the load impedance is very high  (i.e. ).LR  

  (ii)  The short circuit current SCI : 

    It is the current when the load impedance is very small  (i.e. 0)LR . 

  (iii) The fill factor (F.F.) :     The product of open circuit  OCV  and short circuit current  SCI  gives the ideal power output from 

the cell.           ideal SC OCP I V  

    But the actual maximum power output is less than idealP  and is given by the product of maximum 

power current mI  and maximum power voltage 

mV .        

max m mP I V  

    The fill factor of the solar cell is defined as the ratio of the maximum useful power to ideal power. 

        F.F. m m

SC OC

I V

I V  

    The efficiency of solar cell is given by, 

        ηIncident light power

m m m m

L OC

I V I V

I V  

    Usually the voltage developed by cell is of the order of 0.6 V and the efficiency of conversion of about 15 – 12% for silicon cell. 

    Significance :      1.  Higher fill factor solar panel has less parasitic losses, i.e., losses due to the series and parallel 

resistances within the cell itself.     2.  The fill factor can also be used to determine the series resistance of a solar cell.     3.  The lower fill factor panel produces less power at its maximum power point compared to the 

higher fill factor panel.     4.  If its fill factor is low (below 0.7), the cells are sold off as Grade‐B cells, then sliced, and used 

for hobbyist use. 

Q.6  (b)    Explain the V‐I characteristics of Zener diode. Ans.  The ability to keep  the voltage across  its  terminal constant  is  the key  feature of Zener diode. The 

Zener diode is called as a voltage regulated diode because it maintains a constant output voltage even though the current through it changes. 

Page 18: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

18

  A Zener diode operating in breakdown region acts as a Zener regulator (Voltage regulator) because it maintains a nearly constant voltage across its terminals. 

   V‐I characteristics of Zener diode :   The V‐I characteristic is shown in figure. When a Zener is forward biased its characteristics are just 

as  those of ordinary diode. As  the reverse voltage applied  to p‐n  junction  is  increased, a value  is reached at which the current increases greatly from its normal cut off value. This voltage is called a Zener voltage  ZV  or breakdown voltage. So, when a Zener diode  is  reverse biased,  it has sharp breakdown voltage called Zener voltage  ZV . 

  It  is  observed  from  the  figure  that  below  knee,  the  breakdown  voltage  ZV   remains  practically constant. This ability of the diode is called as regulating ability. The regulating ability of Zener diode is an important feature. This feature is used to maintain a constant voltage across its terminal over a specified range of Zener current values  min[( )ZI and  max( )ZI ].  

  1.  There  is a minimum value of Zener  current  min( )ZI   called breakover  current which must be maintained to keep the diode in breakdown or regulation region. If the current is reduced below the knee of the curve, the voltage changes drastically. Now, the regulation is lost. 

  2.  There is a maximum value of Zener current  max( )ZI  above which the Zener may be damaged. 

Q.7  (a)    How does a nucleus behave like a liquid drop? State the postulates of liquid drop model and point out the success and unsuccess of this model. 

Ans.  Nuclear liquid drop model : This model was proposed by Neils Bohr in 1936. He pointed out the strong, short‐range, attractive forces between the nucleons that are analogous to those acting between the molecules of liquid. The surface molecules in a liquid drop are attracted by the inner molecules thus generating the surface tension. This surface tension helps the liquid drop to take spherical shape. He proposed almost similar phenomenon to nucleus. The two important properties of a nucleus, the constant density and the constant binding energy per nucleon can be matched with the liquid drop. Thus on the basis of Bohr’s liquid drop model the following conclusions may be drawn.  

  The similarities between the nucleus and a liquid drop are as follows :   1.  In the stable state, the nucleus in shape, just like as liquid drop is spherical due to the symmetrical 

surface tension forces.   2.  The force of surface tension acts on the surface of the liquid drop. Similarly there is a potential 

barrier at the surface of the nucleus.   3.  The density of a liquid drop is independent of its volume. Similarly, the density of the nucleus is 

independent of its volume.   4.  The molecules evaporate from a liquid drop on raising the temperature of the liquid due to their 

increased  energy  of  thermal  agitation.  Similarly,  when  energy  is  given  to  a  nucleus  by 

Page 19: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

19

bombarding  it with nuclear projectiles,  a  compound nucleus  is  formed which  emits nuclear radiation almost immediately. 

  5.  The nuclear forces are short range forces, similarly, as that of liquid, in which the intermolecular forces are short range forces. 

  6.  When a small drop of liquid is allowed to oscillate, it breaks up into two smaller drops of equal size. The process of nuclear  fission  is similar  in which  the nucleus break up  into  two smaller nuclei.     

  Assumptions :   1.  The material of the nucleus is incompressible and the density of all the nuclei is the same.   2.  The forces in the nucleus are of :     (i)  Coulomb forces between protons.     (ii)  Powerful attractive nuclear forces.     Merits :   1.  It has successfully applied in describing nuclear reactions and explaining nuclear fission.   2.  The calculation of atomic masses and binding energies can be done with good accuracy.   Demerits :   1.  It cannot explain the existence of magic numbers.    2.  It cannot explain why only certain energies of radiations are emitted by a nucleus.   3.  It does not explain magnetic moment of nucleus.   Q.7  (b)    What are the difference and similarities between nuclear fission and nuclear fusion? Ans.  Similarities  :  The  only  similarity  between  these  two  types  of  reactions  is  that  the  cause  of  the 

production of energy is the same and that is loss in mass (mass defect) i.e. energy is released because of the fact that the sum of masses of the products is less than the sum of the masses of the reactants. The mass which is lost is converted into energy and this energy is generated in the reaction.     

Difference between nuclear fission and fusion : 

S. No.  Nuclear fission Nuclear fusion 1.  Nuclear  fission  is a process  in which a 

heavy nucleus, after capturing a neutron splits  up  into  two  lighter  nuclei  of comparable masses. Example : 

235 1 141 92 1

92 0 56 36 0U n Ba Kr 3 n Q  

Nuclear fusion is a process  in which two  lighter  nuclei  combine  to produce a heavy and stable nucleus.  Example : 

1 4 0

1 2 14 H He 2 Q  

2.  The  process  is  possible  even  at  room temperature. 

The process  is possible only at very high temperature. 

3.  The links of the process are neutrons. The links of the process are protons. 4.  Energy  released  by  the  fission  of  one 

nucleus of  235U  is about 200 MeV. Energy released by the fusion is about 26.7 MeV. 

5.  Energy  released  per  nucleon  is  0.85 MeV. 

Energy  released  per  nucleon  is  6.67 MeV. 

6.  The fissionable substance is radioactive. The fusionable substance is not radioactive.  

 

Q.8  Write short note (any two) :   (a)    Crystalline and Amorphous solids   (b)    Energy band in solid   (c)    Hall effect   (d)    Compton effect  

Page 20: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

20

Ans.  (a)  Crystalline solids :      If the atoms or molecules in a solid are arranged in some regular fashion then it is known as 

crystalline  solid. Hence,  in  a  crystalline  solid,  the  atoms  are  arranged  in  an orderly  three‐dimensional array that is repeated throughout the structure. The metallic crystals are Cu, Ag, Al etc. The non‐metallic crystals are : C, Si, Ge etc.   

    Amorphous solids :      Amorphous means ‘without form’. When the atoms or molecules in a solid are arranged in a 

regular fashion, then it is known as amorphous solid. The examples are : glass, plastic, rubber etc. 

     Fig.1 : (a) Crystalline long‐range order as well and  

                             (b) Amorphous2 3B O exhibits only short‐range order.  

  (b)  Energy band in solid :      Solids can be classified into conductors, insulators and semiconductors based on their energy 

band structure.      1.   Conductors : In conductors, the valence band and the conduction band overlap. There is 

no  forbidden  band.  The  electrons  can  be made  to move  and  constitute  a  current  by applying  a  small  potential  difference.  The  resistivity  of  conductors  is  very  low  and increases with temperature. Hence, the conductors are said to have a positive temperature coefficient of resistance. The energy band structure is shown in Fig.1.  

      Example  :  Metals  like  copper,  silver,  gold,  aluminum    etc.  are  good  conductors  of electricity. 

 Fig.1 : Energy band of conductors 

 

Crystalline Amorphous Boron atom

Oxygen atom

Valence band

Conduction band

Conduction band (empty)

Valence band (Completely filled)

Large 5 eVE ~g

Page 21: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

21

Fig.2 : Energy band of insulators     2.  Insulators  :  Insulators have a completely  filled valence band and an empty conduction 

band which are separated by a large forbidden band. The band gap energy is large (of the order of 5 eV). Hence large amount of energy is required to transfer electrons from valence band to conduction band. The insulators have very low conductivity and high resistivity. The energy band structure is shown in Fig.2. 

      Example : Diamond, wood, glass etc., are insulators.     3.   Semiconductors  :  The  term  semiconductor  applies  to  a  class  of  material  having 

conductivity intermediate between a conductor and an insulator. In semi‐conductors, the valence  band  is  completely  filled  and  the  conduction  band  is  empty  at  absolute  zero temperature. The valence band and conduction band are separated by a small forbidden band of the order of 1 eV. Hence, compared to insulators, smaller energy is required to transfer the electrons from valence band to conduction band. Hence, the conductivity is better  than  insulators but not as good as  the conductors. The energy band  structure  is shown in Fig.3.  

      Example : Silicon and germanium are semiconductors having band gap energies of 1.1 eV and 0.7 eV respectively. Some compounds formed between group III and group V elements like gallium arsenide (GaAs) are also semiconductors. 

      As temperature is increased, electrons from valence band jump to conduction band leaving vacancy in valence band which is known as hole. The free electrons in conduction band and the holes in valence band take part in conduction. Hence conductivity increases and resistivity decreases with increase in temperature. The semiconductors are said to have a negative temperature coefficient.  

 Fig.3 : Energy band of semiconductors 

  (c)  Hall effect  : When a metal or a semiconductor carrying a current I is placed in a transverse magnetic field B, a potential difference is produced in the direction normal to both the current and magnetic field directions. This phenomenon is called Hall effect and potential difference developed is called Hall voltage.  

      Hall effect measurements showed that it is the negative charge carriers namely electrons which are responsible for electrical conduction in metals. It also showed that there exist two types of charge carriers in semiconductors.  

      Importance : The importance of Hall effect is that it helps to determine the :       (i)  Sign of charge carriers.       (ii)  Charge carriers concentration.       (iii) Mobility of charge carriers if conductivity of the material is known.       (iv) Type of semiconductor.     Experimental determination of Hall voltage and Hall coefficient :      Let  us  consider  an  n‐type  semiconductor  in  which  the  conduction  is  predominated  by 

electrons. Suppose an electric current I flows in the positive x‐direction and a magnetic field B is applied normal to this electric field in z‐direction as shown  in Fig. (a). A force, called the 

Valence band (Completely filled at 0 K)0

Conduction band (Empty at 0 K)0

E ~g 1 eV

Page 22: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

22

Lorentz force is exerted on each electron which causes the electron paths to bend. As a result of this, the electrons accumulate on one side of the slab and are deficient on the other side.  

 (a) 

Fig.(a) : Schematic view of an n‐type semiconductor bar. 

 (b)                                                                                (c) 

Fig. : The direction of magnetic force and Hall field  (b) in p‐type semiconductor (c) in an n‐type semiconductor  

    Thus, an electric field is created in the  -y direction which is called the Hall field. In equilibrium condition,  

         Hall force = Lorentz force        

H LF F  

        H x zqE v B q                   …(i)     Where, xv  is the velocity of the electrons, and q the electronic charge.          H x zE v B                   …(ii)     As current density,  x xJ Nv q                  Putting the value of  xv  from equation (ii) in the above equation, we get  

        H

x

z

NE qJ

B  

       ( / )

x zx z

H H

J BJ BN

qE q V d

                …(iii) 

        x z z

H

J B d IB dV

Nq NqA                   …(iv) 

    Where, A is the area of cross‐section of end face.     If t is the thickness of the semiconductor specimen, A = dt and the above equation reduces to,  

        z

H

B IV

Nqt                   …(v) 

    Hall field per unit current density per unit magnetic induction is called Hall coefficient  .HR

Thus,   

+ + + + + + + + + + + + + +

t

H

H

VE

d�

B

Jx

Jx

Bz

xv

I

x

y

d

z

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

EHEH

F

F’

F

F’

FL

FL

I IIIp-type n-type

Page 23: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

23

       /H H z

H

x z x z x z

E V d B IR

J B J B J B dNqt  

        1 1HR

Nq

                  …(vi) 

    Where,   is the charge density.     In terms of Hall coefficient, Hall voltage is given by,    

        H H

BIV R

t                 …(vii) 

    The sign of the Hall coefficient  HR   indicates whether electrons or holes predominate  in the conduction process.  

 

    Experimental determination of mobility :     The electron mobility is given as, 

        nN q

 

    Hence,      n HR   

    Thus, the magnitude of  n  can be determined if the conductivity   has been measured. 

    Hall angle :     The net electric field E in the semiconductor is a vector sum of  xE  (electric field component in 

x ‐direction) and  HE  (Hall field). It acts at an angle  H  to the  x ‐axis.  H   is called the Hall angle. 

 Fig.(d) 

    From Fig. (d),         

        tan  H

H

x

E

E                 …(viii) 

    As    z xH

H

B JVE

d N q                 …(ix) 

    Also x xE J                 …(x) 

        tan z

H

B

N q

                          

1

   

        tan H H zR B  

    The product  HR  is designated as  n  the mobility of electrons. 

        tan H n zB   

        1tanH n zB                 …(xi) 

    In the above discussions it is assumed that all carriers travel with a mean speed  .xv  However, this does not happen. As a result the value of  HR  gets modified. The appropriate value is 

                              3 1

8HR

Nq

                …(xii)  

Ex

E

EH

Page 24: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

24

    Accordingly,   

        8

3n HR

                …(xiii) 

    Applications :     1.   Magnetic field meter : The Hall voltage  HV  for a given current is proportional to B. Hence 

measurement of  HV  measures the magnetic field B. 

    2.  Hall effect multiplier : This instrument gives an output proportional to the product of two signals. Thus, if current I is made proportional to one input and if B is proportional to the second input, then Hall voltage  HV  is proportional to the product of the two inputs. 

  (d)  Compton effect : In 1992 Compton observed that when a monochromatic beam of X‐ray was scattered by matter, the scattered beam contained radiation of two different wavelengths, one identical with the incident radiation and the other of longer wavelength.  

The change in wavelength depends on the angle of observation.      The  change  in wavelength or  frequency of  a monochromatic X‐ray beam on  scattering by 

matter is known as Compton effect and the difference in wavelength is called Compton shift.     Assumptions :     (i)  X‐ray radiation is quantized and may be regarded as a stream of photons. A single photon 

carries an energy  hf . The photons behave like true particles and have momentum like any mechanical particle.  

    (ii)  The electron in the atom of the target material is loosely bound and may be considered at rest initially.  

    (iii) The phenomenon of  scattering  is due  to an  elastic  collision between  two particles,  the photon of incident radiation and the electron scatterer.  

    Compton effect theory :     During the collision it gives a fraction of energy to the free electron. The electron gains kinetic 

energy and recoils. The process of recoiling of electron and scattering of photons is shown in Fig.1 In figure,   is the scattering angle while   is the recoil angle.  

 Fig.1 

    Before collision :     (i)    Energy of incident photon  hf  

    (ii)  Momentum of incident photon  hf

c  

    (iii) Rest energy of the electron  2

0m c , where  0m  is rest mass of the electron. 

    (iv) Momentum of rest electron  0  

Electronat rest

Scatte

red

photon

Incident photon

Energy hf

Momentum hf

c Recoilelectron

Scattering angle

mv

Energy 'hf

Momentum'hf

c

(a) Geometry of Compton scattering

'sinhf � 'hf

'coshf �

hf

ccosm v �

m vsinm v �

(b) Components of momentumbefore and after collision

Page 25: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

25

    After collision :     (i)    Energy of scattered photon  'hf  

    (ii)  Momentum of scattered photon  'hf

c  

    (iii) Energy of the electron  2m c , where m  is the mass of the electron moving with velocity  .v      (iv) Momentum of recoil electron  m v , where  v  is the velocity of electron after collision. 

      and   0

2

21

mm

v

c

                     …(i) 

    Energy of the system (photon‐electron) before collision 2

0hf m c      Energy of the system after collision  2'hf m c      According to the principle of conservation of energy,     Energy before collision = Energy after collision            2 2

0 'hf m c hf m c              …(ii)     Again,  using  the  principle  of  conservation  of momentum  along  and  perpendicular  to  the 

direction of incident, we get     Momentum before collision   Momentum after collision  

        '0 cos cos

hf hfmv

c c             …(iii) 

    In the perpendicular direction, 

        '0 0 sin sin

hfmv

c             …(iv) 

    From equation (iii),         cos ' cosmvc hf hf             …(v)     From equation (iv),         sin 'sinmvc hf               …(vi)     Squaring equations (iv) and (v) and then adding, we get         2 2 2 2 2 2 2(cos sin ) ( 'cos ) ( 'sin )m v c hf hf hf          2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 22 'cos ' cos ' sinm v c h f h f f h f h f          2 2 2 2 2 2 2 2 2 22 'cos ' (cos sin )m v c h f h ff h f          2 2 2 2 2 2[ ' 2 'cos ]m v c h f f ff           …(vii)     From equation (ii), we get         2 2

0( ' )mc h f f m c      Squaring  2 4 2 2 2 2 2 4

0 0( 2 ' ' ) 2 ( ' )m c h f f f f h f f m c m c       …(viii)     Subtracting equation (vii) from equation (viii), we have         2 4 2 2 2 2 2 2 4

0 02 ' (1 cos ) 2 ( ' )m c m v c h ff h f f m c m c          2 2 2 2 2 2 2 4

0 0( ) 2 ' (1 cos ) 2 ( ' )m c c v h ff h f f m c m c      From equation (i) putting the value of m , we get     

       2 2

2 2 2 2 2 40

0 02

2

( ) 2 '(1 cos ) 2 ( ')

1

m cc v h f f h f f m c m c

v

c

 

    i.e.,   2 4 2 2 2 4

0 0 02 '(1 cos ) 2 ( ' )m c h ff h f f m c m c  

        2 2

02 ( ' ) 2 ' (1 cos )h f f m c h ff           …(ix) 

Page 26: Page Physics 1 Year : Common to all Branches

  

  

Physics 1st Year : Common to all Branches

Page

26

    or   2

0

'(1 cos )

'

f f h

ff m c

 

    or   2

0

1 1(1 cos )

'

h

f f m c             …(x) 

    Equation  (x)  shows  that  'f f as  0, ,h m c   are  the  constants with positive  values  and  the maximum value of  cos 1 . This shows that the scattered frequency is always smaller than the incident frequency. 

    From equation (x), we have 

       0

(1 cos )'

c c h

f f m c  

    or   0

' (1 cos )h

m c             …(xi) 

    Where,   is change in wavelength.      The change in wavelength due to scattering is called as Compton effect.     From equation (xi) it is seen that,      (i)  The wavelength  '  of the scattered photon is greater than the wavelength   of the incident 

photon.     (ii)   is independent of the incident wavelength.      (iii)   has the same value for all substances containing free electrons.   only depends upon 

the angle of scattering.        (iv) When  0, cos 1            ' 0 or '        which shows that no scattering occurs along the direction of incidence.  

    (v)  When  , cos 02

 

     0

Compton wavelength c

h

m c  

       34

31 8

6.62 10

9.1×10 ×3×10c

o100.0242 10 m 0.0242A  

    (vi) As  0

(1 cos )h

m c

o

0.0242(1 cos ) A  

      Maximum value of          cos 1   i.e., when  0

180  

       o

max0.0484 A  

      This  means  that  Compton  effect  can  be  detected  only  for  those  radiations  whose 

wavelength is not greater than a fewo

A .